CN100418489C - 手术导航中基于基准面膜的多模式医学图像配准系统 - Google Patents

Abstract

一种计算机应用技术领域的手术导航中基于基准面膜的多模式医学图像配准系统，多模式基准面膜制备贴附模块完成制备多模式基准面膜；基准面膜图像复原和术前多模式图像配准模块输出多模式医学图像空间上的基准面膜表而轮廓、术前多模式医学图像配准变换关系到基准面膜表面配准融合模块；基准面膜外表面术中采集模块准确定位并输出基准面膜外表面点集在术中坐标空间上的位置信息到基准表面配准融合模块；基准表面配准融合模块得到术前多模式医学图像空间和术中病人坐标空间的配准融合关系。本发明在手术导航等图像治疗中提高术前图像和术中图像配准精度，做到对病人的多模式医学成像信息进行便捷、高精度的配准。

Description

手术导航中基于基准面膜的多模式医学图像配准系统

技术领域

本发明涉及的是一种计算机应用技术领域的系统，具体是一种手术导航中基于基准面膜的多模式医学图像配准系统。

背景技术

在图像导向计算机辅助外科手术中，为了能基于术前医学图像扫描信息进行手术导航，需要建立术中病人和术前医学图像的配准关系。为建立这种配准关系，世界著名手术导航系统生产商Medtronic公司的LandmarX系统，在临床上采用的配准系统是：在病人皮肤表面粘上在医学成像中可显影的基准标志点，通过分别定位出基准标志点在医学图像空间、以及在病人术中坐标空间下的三维位置，建立术前医学图像到术中病人的位置配准关系。采用这种配置系统，基准标志点定位误差减少、基准标志点数目增加，目标区域配准误差(TRE)会减少，配准精度会提高。但增加基准标志点数目，会增加术中采集的时间和麻烦；临床上用探针等定位这些标志点容易使标志点移位；如果在手术导航中采用和头骨铆定的基准标志点，虽配准精度可以达到最好，但是对病人是有伤害的。临床上GE公司InstaTrak手术导航系统还采用把标志点分布在头架上、再把头架固定在头部上的方法，但这种方法由于要在病人头部紧固好头架，并且一直保持到手术进行，这往往会给病人带来身体的不舒服，而且在图像导向治疗中一般都要避免使用固定架固紧在身体部位。在手术导航中，还采用基于特征表面的配准方法，这种方法用术前CT或MRI成像方法重建出手术部位三维表面信息，在术中再利用激光扫描等方法采集到术中病人的目标表面点集。但这种方法用CT成像重建人体三维表面特征点集的重建误差较大。利用MRI成像方法虽较清晰地重建出皮肤表面信息，但MRI成像方法不能对骨性组织进行成像。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号CN95195907，公开日为1997.10.15，专利名称为：用于神经外科手术的立体规划过程用的装置和方法，该专利自述为：“公开了一种装置和方法，用以显示所选目标与病人头盖骨上所选点之间的路径，并用以引导外科手术器械沿着任何所选路径前进。系统由图像显示系统、铰接臂并探针以及立体规划系统组成。这些子系统相互连接，因此铰接臂可用以选择与所选图像基准点相对应的病人基准点。应用这些点，图像显示系统将外部位置与被显示的图像相互配准，因此，探针的状态可用被显示图像加以显示。系统还得以识别病人脑内所选的目标，并在颅骨切开手术进行之前，投影从外部位置至目标的路径。对该路径进行估算后，外科大夫可将立体规划系统锁定在位以保持所选的外科手术路径，并引导器械沿着该路径前进。”其不足是：基于有限基准点进行图像空间和手术空间的配准，其配准精度是受限制的；术中基准点位置采集是用探针指向的，容易导致基准点位置在手术空间下产生移位，而且术中用铰接臂配合探针一一采集基准点也很费时麻烦；该方法不能完成多模式术前医学图像和术中病人坐标空间的配准。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种手术导航中基于基准面膜的多模式医学图像配准系统，使其在手术导航等图像治疗中提高术前图像和术中图像配准精度，做到对病人的多模式医学成像信息进行便捷、高精度的配准。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括多模式基准面膜制备贴附模块、基准面膜图像复原和术前多模式图像配准模块、基准面膜外表面术中采集模块、基准面膜表面配准融合模块。多模式基准面膜制备贴附模块接受医学成像模式的具体类型和对应成像设备的成像分辨率指标数据，该模块完成制备多模式基准面膜，贴附该基准面膜于病灶四周病人皮肤表面；基准面膜图像复原和术前多模式图像配准模块输出多模式医学图像空间上的基准面膜表面轮廓、术前多模式医学图像配准变换关系到基准面膜表面配准融合模块；基准面膜外表面术中采集模块准确定位并输出基准面膜外表面点集在术中坐标空间上的位置信息到基准表面配准融合模块；基准表面配准融合模块对图像空间和手术空间提取出的基准面膜外表面轮廓进行准确配准，并进而得到术前多模式医学图像空间和术中病人坐标空间的配准融合关系。

所述的多模式基准面膜制备贴附模块包括四个子模块：基准面膜材料选择模块、基准面膜厚度选择模块、基准面膜制备模块、基准面膜贴附模块。基准面膜材料选择模块根据医学成像模式类型的不同，从数据库中选择能在多模式医学成像中可高亮度显示的基准面膜材料作为数据送到基准面膜制备模块；基准面膜厚度选择模块根据具体成像模式和手术导航所需要的成像分辨率指标，设定合适的基准面膜厚度送到基准面膜制备模块；基准面膜制备模块根据以上两模块的输出数据为工艺参数，控制金属基混合材料薄膜制造工艺流程制备多模式基准面膜；基准面膜贴附模块把制备好的基准面膜贴附于目标病灶四周的病人皮肤表面。

所述的基准面膜图像复原和术前多模式图像配准模块包括四个子模块：基准面膜成像模块、图像反卷积去模糊模块、轮廓面定位模块、术前多模式医学图像配准模块。基准面膜成像模块完成采集病人的多模式医学成像数据，多模式医学成像数据送到图像反卷积去模糊模块；图像反卷积去模糊模块利用反卷积去模糊技术高分辨率增强多模式基准面膜的成像信号，输出分辨率增强的图像信号到轮廓面定位模块进行处理；轮廓面定位模块提取出基准面膜表面在各模式图像空间下的轮廓位置信息，送到术前多模式医学图像配准模块；术前多模式医学图像配准模块对提取出的轮廓信息进行基于表面轮廓的图像配准，获得术前多模式医学图像的配准转换关系，送到基准面膜表面配准融合模块。

所述的基准面膜外表面术中采集模块，基于计算机立体视觉重建三维物体表面的原理，利用LRS生成距离图像或CCD三维照相测量技术，在手术空间坐标系下，精确重建出基准面膜外层表面点集的位置信息，作为基准面膜表面配准融合模块的术中数据输入。

所述的基准面膜表面配准融合模块可以分成两个模块：术前图像和术中空间配准模块、多模式术前图像和术中病人坐标空间融合模块。术前图像和术中空间配准模块把从术前图像空间提取的基准面膜外表面点集作为参考表面，把从基准面膜外表面术中采集模块提取的基准面膜外层表面点集作为配准的浮动表面，基于ICP算法(迭代最近点法)，把两个表面进行配准，得到单模式图像空间和病人手术空间的配准转换关系，送到多模式术前图像和术中病人坐标空间融合模块，该模块结合由另一路输入的术前多模式医学图像的配准转换关系，把多模式医学图像信息都融合在和术中病人坐标空间统一的坐标系下。

本发明的工作过程和工作原理是：在多模式基准面膜制备贴附模块中的基准面膜材料选择子模块，选择对应不同成像模式类型可高亮度显示的基准面膜材料，其具体原理是在CT成像中，对X射线吸收系数高的材料图像信号以高亮度显示；MRI成像的信号强度，是跟材料成像体素中磁性核的量成正比的。基准面膜厚度选择模块，根据成像分辨率指标设定基准面膜的厚度为图像断层像素分辨率水平的2倍左右，设定这个厚度，通过成像信号能较准确地复原出原始成像物体，进而在医学图像空间坐标系下可以准确定位出基准面膜外层表面的位置信息。基准面膜的厚度也不能过厚，否则基准面膜和皮肤的大面积贴附接触就不会稳固。

基准面膜制备模块根据选择的不同材料类型和面膜厚度作为工艺参数，控制金属基混合材料薄膜制造工艺流程制备多模式基准面膜，为了能准确迅速地利用CCD(光学耦合器件)采集术中基准面膜的三维信息，该基准面膜表面集成了利于CCD成像进行精确三维模型重建的颜色、条纹等彩色图案信息。基准面膜贴附模块把基准面膜贴附于目标病灶周围的病人皮肤表面，根据影响目标区域配准误差的具体关系式 $\&lang;{\mathrm{TRE}}^2\left(r\right)\&rang;=\&lang;{\mathrm{FLE}}^2\&rang;(\frac{1}{N}+\frac{1}{3}\underset{k=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{d_k^2}{f_k^2}).$ 这里<FLE²>为系统基准标志点的定位误差，k代表空间三维主轴方向，f_k为基准标志点集相对于基准标志点集三维主轴的均方根距离值；r为相对于基准标志点集原点位置的目标区域矢量；d_k为目标区域相对于各基准标志点主轴的距离；N为基准标志点数目，基准面膜贴附模块的操作应尽量遵循以下原则：1)尽可能增加基准面膜的贴附面积，这样可以有效增加基准标志点数目；2)基准面膜标志点集的布局避免近乎共线的配置；3)保证基准面膜标志点集的定位质心尽可能地靠近目标病灶区域。

基准面膜图像复原和术前多模式图像配准模块对贴附了面膜的病人进行扫描成像和对扫描成像结果进行图像处理，基准面膜成像子模块完成采集有基准面膜高亮度信号显示的多模式医学成像；图像反卷积去模糊子模块对多模式医学成像中的基准面膜进行高分辨率复原后，把图像信号送到轮廓面定位子模块；轮廓面定位子模块提取多模式基准表面轮廓信息，从单模式成像中提取的基准面膜外表面轮廓信息一方面可以作为术前基准表面数据送到基准面膜表面配准融合模块，作为参考表面数据，另一方面轮廓面定位子模块提取的多模式基准表面轮廓信息可以作为术前多模式医学图像配准子模块的输入数据，该模块对术前多模式医学图像进行基于表面轮廓的配准，获得术前多模式医学图像的配准转换关系。

基准面膜图像复原和术前多模式图像配准模块处理完毕后，基准面膜外表面术中采集模块开始工作，该模块基于计算机立体视觉重建三维物体表面的原理，利用LRS(激光测距扫描系统)生成距离图像或CCD三维照相测量技术(利用CCD成像技术对表面集成了颜色、条纹等彩色图案信息的基准面膜进行三维表面的精确重建)，在手术空间坐标系下，精确重建出基准面膜外层表面点集的位置信息。

基准面膜外表面术中采集模块输出的基准面膜外层表面点集作为配准的浮动表面，和术前图像空间提取的基准面膜外表面轮廓作为配准的参考表面都被送到基准面膜表面配准融合模块的子模块一术前图像和术中空间配准模块进行处理，得到单模式图像空间和病人手术空间的配准转换关系，再经过多模式术前图像和术中病人坐标空间融合模块，结合术前多模式医学图像的配准转换关系，把多模式医学图像信息都融合在和术中病人坐标空间统一的坐标空间系下。

本发明的系统通过设计能在多模式医学成像中高亮度显示的多模式基准面膜，精确重建和定位在术前多模式医学图像空间和术中病人坐标空间下的基准面膜外表面点集，实现多模式术前医学图像空间和病人术中坐标空间的精确配准关系。总体上来说实现了术前多模式医学图像空间和病人术中坐标空间的便捷、精确的配准，保证了医生基于术前多模式医学图像信息进行手术导航的精确度，确保图像导向手术能准确、微创化摘除病灶，不损伤周围正常组织，从而降低了手术风险和手术并发症的发生，进而能减少病人术后康复医疗成本的50％-60％左右，提高了病人的治疗效果和生活质量。

附图说明

图1是本发明结构框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的系统包括：多模式基准面膜制备贴附模块、基准面膜图像复原和术前多模式图像配准模块、基准面膜外表面术中采集模块、基准面膜表面配准融合模块，多模式基准面膜制备贴附模块接受医学成像模式的具体类型和对应成像设备的成像分辨率指标数据，该模块完成制备多模式基准面膜，贴附该基准面膜于病灶四周病人皮肤表面；基准面膜图像复原和术前多模式图像配准模块输出多模式医学图像空间上的基准面膜表面轮廓、术前多模式医学图像配准变换关系到基准面膜表面配准融合模块；基准面膜外表面术中采集模块准确定位并输出基准面膜外表面点集在术中坐标空间上的位置信息到基准表面配准融合模块；基准表面配准融合模块对图像空间和手术空间提取出的基准面膜外表面轮廓进行准确配准，并进而得到术前多模式医学图像空间和术中病人坐标空间的配准融合关系。

所述的多模式基准面膜制备贴附模块，多模式基准面膜制备贴附模块首先制备在多模式医学成像中高亮度显示的基准面膜，并把面膜贴附于病灶四周病人皮肤表面。该模块由基准面膜材料选择模块、基准面膜厚度选择模块、基准面膜制备模块、基准面膜贴附模块组成。

a)基准面膜材料选择模块，该模块选择面膜的材料由在MRI成像或(和)CT成像中高亮度可见的显影物质组成，如在MRI成像中可见的碘酸盐或钆基物质，在CT中成像可见的铝-铬酸盐掺杂物质等。

b)基准面膜厚度选择模块，该模块根据先进医学成像图像高分辨率的特点，选择面膜厚度为二维断层图像像素间距的2倍左右。设定这个厚度，通过成像信号能较准确地复原出原始成像物体，进而在医学图像空间坐标系下可以准确定位出基准面膜外层表面的位置信息。基准面膜的厚度也不能过厚，否则基准面膜和皮肤的大面积贴附接触就不会稳固。

c)基准面膜制备模块，该模块利用金属基薄膜制造工艺制备基准面膜，为了能准确迅速地利用CCD成像技术采集术中面膜的三维信息，该面膜表面集成了利于CCD成像进行精确三维模型重建的颜色、条纹等彩色图案信息。

d)基准面膜贴附模块，该模块把基准面膜贴附于在目标病灶四周的三维皮肤表面区域，保证基准面膜标志点集的定位质心尽可能地靠近目标病灶区域，这样可以保证基准面膜包绕下、居中的目标病灶区域的目标配准误差尽可能地小。

所述的基准面膜图像复原和术前多模式图像配准模块，完成基准面膜的多模式医学成像、基准面膜外表面轮廓提取与术前多模式医学图像配准。该模块由多模式基准面膜成像模块、图像反卷积去模糊模块、轮廓面定位模块和术前多模式医学图像配准模块组成。

a)多模式基准面膜成像模块，该模块获取具有基准面膜高亮度信号显示的CT、MRI多模式医学图像。

b)图像反卷积去模糊模块，该模块采用基准面膜厚度已知条件约束下的反卷积去模糊技术，高分辨率增强基准面膜的图像信号，精确复原基准面膜图像信号。

c)轮廓面定位模块，该模块利用二阶微分滤波器检测过零点的方法提取基准面膜表面的边缘轮廓，重建出多模式术前医学图像基准面膜的表面轮廓。

d)术前多模式医学图像配准模块，该模块对术前多模式医学图像进行基于表面轮廓的配准，获得术前多模式医学图像的配准转换关系。

3.基准面膜外表面术中采集模块基于计算机立体视觉重建三维物体表面的原理，利用LRS(激光测距扫描系统)生成距离图像或CCD三维照相测量技术(利用CCD成像技术对表面集成了颜色、条纹等彩色图案信息的基准面膜进行三维表面的精确重建)，在手术空间坐标系下，精确重建出基准面膜外层表面点集的位置信息。

所述的基准面膜表面配准融合模块，完成术前医学图像和术中病人坐标空间的配准，并把术前多模式医学图像信息都融合在和术中病人坐标空间统一的坐标空间下。该模块由术前图像和术中空间配准模块和多模式术前图像和术中病人坐标空间融合模块组成。

a)术前图像和术中空间配准模块，该模块把从术前单模式图像空间(CT或MRI)提取的基准面膜外表面点集作为参考表面，把从基准面膜外表面术中采集模块提取的基准面膜外层表面点集作为配准的浮动表面，利用迭代最近点算法(ICP)把两个表面进行配准，得到单模式图像空间和术中病人坐标空间的配准转换关系

b)多模式术前图像和术中病人坐标空间融合模块，该模块结合由另一路输入的术前多模式医学图像的配准转换关系，把多模式医学图像信息都融合在和术中病人坐标空间统一的坐标空间下。

Claims (7)

1. 一种手术导航中基于基准面膜的多模式医学图像配准系统，其特征在于，包括四个模块：多模式基准面膜制备贴附模块、基准面膜图像复原和术前多模式图像配准模块、基准面膜外表面术中采集模块、基准面膜表面配准融合模块，多模式基准面膜制备贴附模块接受医学成像模式的具体类型和对应成像设备的成像分辨率指标数据，该模块完成制备多模式基准面膜，贴附该基准面膜于病灶四周病人皮肤表面；基准面膜图像复原和术前多模式图像配准模块输出多模式医学图像空间上的基准面膜表面轮廓、术前多模式医学图像配准变换关系到基准面膜表面配准融合模块；基准面膜外表面术中采集模块准确定位并输出基准面膜外表面点集在术中坐标空间上的位置信息到基准面膜表面配准融合模块；基准面膜表面配准融合模块对图像空间和手术空间提取出的基准面膜外表面轮廓进行准确配准，并进而得到术前多模式医学图像空间和术中病人坐标空间的配准融合关系。

2. 如权利要求1中所述的手术导航中基于基准面膜的多模式医学图像配准系统，其特征是，所述的基准面膜制备贴附模块包括四个模块：基准面膜材料选择模块、基准面膜厚度选择模块、基准面膜制备模块、基准面膜贴附模块，基准面膜材料选择模块根据医学成像模式类型，从数据库中选择能在多模式医学成像中高亮度显示的基准面膜材料作为参数送到基准面膜制备模块；基准面膜厚度选择模块根据具体成像模式和手术导航所需要的成像分辨率指标，设定基准面膜厚度送到基准面膜制备模块，基准面膜制备模块根据以上两模块的输出数据作为工艺参数，控制金属基混合材料薄膜制造工艺流程制备多模式基准面膜，并在基准面膜表面集成了利于CCD成像精确三维模型重建的彩色图案信息，基准面膜贴附模块把制备好的基准面膜贴附于目标病灶四周的病人皮肤表面。

3. 如权利要求2中所述的手术导航中基于基准面膜的多模式医学图像配准系统，其特征是，所述的基准面膜材料选择模块，该模块选择面膜的材料由在MRI成像或/和CT成像中高亮度可见的显影物质组成。

4. 如权利要求2中所述的手术导航中基于基准面膜的多模式医学图像配准系统，其特征是，所述的基准面膜厚度选择模块，该模块根据医学成像图像高分辨率的特点，选择基准面膜厚度为二维断层图像像素间距的2倍，设定这个厚度，通过成像信号能较准确地复原出原始成像物体，进而在医学图像空间坐标系下准确定位出基准面膜外层表面的位置信息。

5. 如权利要求1中所述的手术导航中基于基准面膜的多模式医学图像配准系统，其特征是，所述的基准面膜图像复原和术前多模式图像配准模块包括四个子模块：基准面膜成像模块、图像反卷积去模糊模块、轮廓面定位模块、术前多模式医学图像配准模块，基准面膜成像模块对病人进行多模式医学成像，多模式医学图像数据送到图像反卷积去模糊模块，图像反卷积去模糊模块利用反卷积去模糊技术高分辨率增强多模式基准面膜的成像信号，输出分辨率增强的图像信号到轮廓面定位模块进行处理，轮廓面定位模块提取出基准面膜表面在各模式图像空间下的轮廓位置信息，送到术前多模式医学图像配准模块，术前多模式医学图像配准模块对提取出的轮廓信息进行基于表面轮廓的图像配准，获得术前多模式医学图像的配准转换关系，送到基准面膜表面配准融合模块。

6. 如权利要求1中所述的手术导航中基于基准面膜的多模式医学图像配准系统，其特征是，所述的基准面膜外表面术中采集模块，基于计算机立体视觉重建三维物体表面的原理，利用激光测距扫描系统生成距离图像或CCD三维照相测量技术，在手术空间坐标系下，精确重建出基准面膜外层表面点集的位置信息，作为基准面膜表面配准融合模块的术中数据输入。

7. 如权利要求1中所述的手术导航中基于基准面膜的多模式医学图像配准系统，其特征是，所述的基准面膜表面配准融合模块分成两个模块：术前图像和术中空间配准模块、多模式术前图像和术中病人坐标空间融合模块，术前图像和术中空间配准模块把从术前图像空间提取的基准面膜外表面点集作为参考表面，把从基准面膜外表面术中采集模块提取的基准面膜外层表面点集作为配准的浮动表面，基于迭代最近点算法，把两个表面进行配准，得到单模式图像空间和病人手术空间的配准转换关系，送到多模式术前图像和术中病人坐标空间融合模块，该模块结合由基准面膜图像复原和术前多模式图像配准模块输入的术前多模式医学图像的配准变换关系，把多模式医学图像信息都融合在和术中病人坐标空间统一的坐标系下。